XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В России первые шпалы появилась в 1834 году, когда Черепановы испытали изобретенный паровоз железнодорожной ветке. А в 1903 году, на русских железных дорогах впервые были применены железобетонные шпалы. Но широкого распространения они не получили. Дальнейшие попытки применения железобетонных шпал оканчивались неудачей. Все железобетонные шпалы быстро трескались. С тех пор прошло много времени и изменилось многое, в том числе и шпалы. За всё это время были разные шпалы: деревянные, железобетонные, стальные. Каким-то шпалам больше отдавали предпочтение, а другим нет. В современное время уже практикуют создание синтетических шпал на замену других шпал, потому что синтетические шпалы во многих характеристиках превосходят другие виды шпал.

На железных дорогах Северной Америки до настоящего времени самыми распространенными остаются деревянные шпалы. Их доля в общем объеме шпал, используемых при ремонте пути и новом строительстве, превышает 90 процентов. При этом ведутся разработки по совершенствованию конструкций комбинированных деревянных шпал, к которым относятся многослойные клееные шпалы и новые варианты слоистых шпал. Наряду с традиционными деревянными, железобетонными шпалами на железных дорогах Северной Америки расширяется применение пластиковых шпал, которые делаются из вторсырья, получаемого от переработки пластиковых бутылок (на одну шпалу требуется до тысячи бутылок).

С 1990-х годов некоторые страны мира начали внедрять пластиковые шпалы на железные дороги, в том числе и на скоростные (Япония, Китай). Так же активно начинают интересоваться данным видом шпал и другие страны мира (Индия, Таиланд и Филиппины). США является мировым лидером по производству таких шпал, США большое количество деревянных шпал и американские компании не наши ничего более удобного, чем заменить их на синтетические.

С 1998 года ведущие железнодорожные компании США ChicagoTransit и UnicornPacificRailroad начали испытания шпал, изготовленных из отходов полиэтилена низкого давления высокой плотности (ПЭНД-ВП). Заинтересованность этих компаний в применении полимерных шпал объяснялась тем, что такие конструкции имеют преимущество перед деревянными шпалами, прежде всего по сроку эксплуатации. С учетом высокого уровня гниения в областях с жарким и влажным климатом, срок жизни деревянных шпал колеблется от 5 до 15 лет, тогда как пластмассовые не гниют, не раскалываются, и некоторые их производители дают 50-летнюю гарантию эксплуатации, что в особенности обеспечивает преимущество в местах с дорогостоящей установкой железнодорожного полотна. Из 700 млн деревянных шпал на железных дорогах Северной Америки каждый год меняют около 14 млн. Такие шпалы не только хороши по сроку эксплуатации, но и по цене, так как они изготавливаются из отходов полиэтилена, а значит и себестоимость будет невысокой. С 2003 года на железных дорогах как в США, так и в странах Латинской Америки, проводится массовое тестирование пластмассовых шпал. Во время тестирования полимерных шпал в США компания Earth Care Products изготовила опытные образцы изделий в четырех вариантах конструкции. У шпалы одного из вариантов характеристики превзошли установленные в технических требованиях нормы. Тогда пластмассовые шпалы были уложены для эксплуатационных испытаний на трех участках железнодорожного пути в различных штатах. Например, в Алтуне в штате Пенсильвания ведутся наблюдения над 10 полимерными шпалами, распределенными по одной через каждые 20 деревянных. Шпалы периодически осматривают с измерением геометрических параметров (высота шпалы, ширина колеи и т.д.). В разные времена года признаков повреждения под воздействием климатических условий также не обнаружено.

Российские железнодорожники пока о применении полимерных шпал только говорят. Однако при рассмотрении вопроса об использовании таких конструкций в России необходимо понимать, что материал для этих изделий должен выдерживать температуру воздуха от +50 до –70°С, в противном случае для отечественных климатических условий он не подойдет. 2016 год был объявлен годом экологии и ООО "АКCИОН РУС начали изготавливать специальные композитные шпалы из пластмассовых отходов (рис. 1). При производстве одного км путей, тратится около 170 млн отходов.

Рисунок 1. Композитные шпалы

Укладываются синтетические шпалы с помощью традиционного оборудования для деревянных шпал, но при этом не требуют монтажа электроизолирующих элементов и амортизирующих прокладок (рис. 2). Такие шпалы во многих характеристиках превосходят деревянные.

Рисунок 2. Укладка синтетических шпал

Шпалы из искусственной древесины производства японской компании Sekisui за 30 лет с начала их применения были уложены в 16 странах. Научно-исследовательский институт железнодорожной техники Японии обследовал два участка, чтобы оценить показатели работы шпал. Результаты обследования показали, что после 30 лет службы полушпалы не имели трещин и деформаций, цвет поверхностного слоя не изменился, путевые шурупы не были ослаблены, подрельсовые прокладки оказались хорошо закрепленными, а в ходе осмотра со стороны дренажной канавы не обнаружены ни отслаивания, ни трещины. ни ослабленные концы шпал.

Изготовление пластиковых шпал освоено несколькими фирмами в разных странах. Пока лидерами производства являются американские компании. Polywood Ink. производит пластмассовые шпалы из отходов ПЭНД-ВП и ПС с высокой прочностью расплава. Несмешивающиеся компоненты создают массу скрученных волокон полистирола, распределенных в матрице полиэтилена. Волокна формируются в ходе смешивания в результате различия в температуре плавления полимеров, таким образом, формируется смесь с микроскопическими полистирольными волокнами. Plastic Lumber выпускает шпалы из отходов ПЭНД-ВП с наполнением от 10 до 40 процентов первичного или вторичного стекловолокна. С целью удешевления производства эта фирма разрабатывает и новую рецептуру, основанную на других типах пластиков на базе распространенных полиолефинов, что приводит к экономии сырья на 25-30 процентов. Компания пробовала применить в производстве железнодорожных шпал 10-40 процентов наполнителя из волокна, полученного в результате переработки коврового покрытия из нейлона. Все пластмассовые шпалы содержат по крайней мере 50 процентов вторичного ПЭНД-ВП. В композитный состав шпал входят вторичные синтетические материалы, а также стекловолокно, которое увеличивает прочность и долговечность этих железнодорожных изделий. Для рециклинга могут использоваться брикетированный полиэтилен, кинопленка, смесь пластиковых бутылок, высококачественный жесткий пластик и даже ковровые покрытия, включая клееный подкладочный материал. Для изготовления полимерных шпал применяются стандартные линии с производительностью от 25 до 100 тыс. шпал в год. Компании-изготовители используют различные технологии производства шпал из композитных материалов, сначала следут обработка предварительно подготовленной смеси ПЭНД-ВП с наполнителем и добавками в двухшнековом экструдере, передающем подготовленный материал в накопитель, а затем на станцию непрерывного наполнения форм на вращающемся коллекторе. Здесь с помощью одного из методов литья под давлением с дополнительным впрыском полимерная смесь подается в закрытые формы с распределительными клапанами, направляющими поток поочередно в два гнезда. Материал в них находится под давлением, и газообразователи предотвращают появление вакуума. Заполненные формы проходят охлаждение в водяных ваннах, после чего детали вынимаются из формы и охлаждаются воздухом. Кроме того, формы медленно заполняются и медленно остывают. В отличие от деревянных, полимерные шпалы могут выпускаться с рисунком или рифлением на их поверхностях для обеспечения устойчивости от бокового перемещения в балласте, что доказано исследованиями, проведенными Ассоциацией американских железных дорог (Association of American Railroads — AAR).

Шпалы состоят из армированного волокном пенополиуретана (FFU), которые разработаны компанией Sekisui в качестве альтернативы традиционным деревянным. Шпалы из FFU впервые были уложены в 1980 г. и служат до сих пор на участках пути под стрелочными переводами, в тоннелях и на мостах. Недавно покупателями этих шпал стали британская компания-оператор инфраструктуры Network Rail, которая впервые установила их на двух мостах сентябре в 2014 г., и бельгийская компания Infrabel, которая завершила укладку шпал на мосту в начале 2015 г. Дополнительно были проведены испытания путевых шурупов на выдергивание. Результаты показали. что значения усилия выдергивания путевого шурупа из синтетических полушпал находились в диапазоне 23,3-50,4 кН при средней величине 32,5 кН, что превышает среднее значение 30 кН, допустимое по японскому стандарту. Кроме того, проводились испытания, в процессе которых полушпалу фиксировали на стенде для выкручивания путевого шурупа. Измерения продолжались, пока требуемые для выкручивания шурупа значения момента не начинали снижаться. Значения момента при выкручивании путевых шурупов находились в диапазоне от 163 до 336 Н-м при средней величине 223,7 Н-м. Значения момента для конкретных шурупов были разными, но при этом они примерно соответствовали результатам, полученным при исследовании после 10 лет службы.

Рисунок. 3 Укладка железных дорог с синтетическими шпалами

Результаты испытаний физических свойств показали, что шпалы соответствуют требованиям стандартов. Кроме того, было установлено, что среднее значение плотности образцов шпал после 15 лет службы было почти таким же, как для образцов, использованных в ходе недавних испытаний.( На рисунке 3 один представлена укладка железных дорог с синтетическими шпалами)

Рисунок 4. Деревянные шпалы обработанные креозотом

Кроме этого, синтетические шпалы экологически полезны, так как деревянные оставляют за собой за вещества, отравляющие почву, а при высоких температурах выделяет ядовитые испарения. Также, для изготовления деревянных шпал вырубается много деревьев, известно, что для изготовления шпал на один километр пути требуется вырубить практически два гектара леса, причем 80 – 100-летних сосен, которых становится все меньше. (рис. 4), который загрязняет окружающую среду и эти шпалы требуют больших затрат на их утилизацию. Совершенных технологий утилизации пока не существует. Самый распространённый способ – захоронение на полигонах, но с каждым разом мест становится всё меньше и меньше, и владельцы прибегают к другим мерам, таким как складирование шпал в одном месте. Это противозаконно и обходится недёшево. Поэтому утилизация шпал, сегодня имеет большое значение. Преимущества пластмассовых шпал в том, что они не проводят электричество и не впитывают воду, а также помогают избежать преждевременной коррозии рельсов. В экологическом плане синтетические шпалы выигрывают у деревянных. Также утилизация деревянных шпал стоит от 5 до 25 долларов за одну шпалу и эта цена растёт.

Ужесточившиеся требования по охране окружающей среды могут в будущем ограничить применение деревянных шпал, что вынуждает железные дороги искать новые, экологически безвредные решения. Деревянные шпалы, пропитанные креозотом, уже запрещены в Нидерландах по соображениям экологической безопасности. Скорее всего на замену деревянных шпал придут синтетические, так как они по многим параметрам лучше, но они ещё не вошли в обиход.

Избавление от деревянных шпал — решение проблемы сохранения окружающей среды, одновременно внедрение пластмассовых шпал помогает решить и проблему отходов пластиков. Пластиковые шпалы по сравнению с деревянными имеют лучшие механические свойства. Несмотря на разницу в цене производства (пластиковые – 60 долларов за штуку, а деревянные 30-35 долларов) синтетические шпалы будут дольше эксплуатироваться и это будет приносить прибыль до 140 долларов за штуку. Армии некоторых стран ( США, Канада) уже хотят заменить деревянные шпалы на полимерные. Компания Plastic Pilings экструдирует сваи начиная с 1988 года посредством герметизирования пластиком арматурной стали, сваренной стальной клетки или стальной трубы. Она также применяет технологию производства с использованием усиленного стекловолокна. Большой интерес к пластмассовым шпалам проявляют железнодорожные компании зарубежных стран с тропическим климатом.

Но нельзя же совсем отказаться от деревянных шпал? Это, как считают многие, пока нереально. Их эпоха еще не закончилась. И состояние пути долгие годы будет зависеть от их качества. Но экологи уже бьют тревогу, так как деревянные шпалы сильно загрязняют окружающую среду и даже на наш момент распространённых средствах утилизации, всё равно загрязняется окружающая среда, какими способами мы бы не пользовались. Если мы будем их закапывать, то они будут загрязнять почву креозотом и будет меньше плодородной почвы. Если их сжигать, то они будут выделять ядовитые испарения. Повторному использованию они не подлежат, так как эти шпалы обработаны креозотом и ликвидировать его из шпал дорого. Синтетические шпалы во многом превосходят деревянные, как по утилизации, по сроку службы, по экологическим параметрам. Россия остаётся верна деревянным шпалам, так как у нас нет возможности и предприятий, изготавливающие синтетические шпалы.

Список использованной литературы

Больная советская энциклопедия.

Золотарский А. Ф., Балашов А. А. и др. Железнодорожный путь на железобетонных шпалах. -М.: Транспорт, 1967, 441 с.

Фришман М. А. Как работает путь под поездами. «Транспорт» М. 1983, 168с.

Нежданов К. К., Кузьмишкин А.А, Гарькин И. Н. Шпала повышенной долговечности для скоростного рельсового пути [Текст] // Отраслевые аспекты технических наук № 3 (Март)-Москва изд.-во ИНГН 2012,С.4–5

Погодина Е. Спецтема - Полимеры в строительстве/ .Е.Погодина // Пластикс.- 2011.-№11.-С.58-61.[электронный ресурс]/.-Режим доступа: https://sevputspb.ru/ekologichnyie-shpalyi/ (1.12.2018)